伊犁盆地南缘阿尔玛勒露天矿工程地质特征及边坡稳定性分析

曹小红，许 涛，常治国，尚善宇

（1.新疆工程学院，新疆 乌鲁木齐 830000；2.新疆地质灾害防治重点实验室，新疆 乌鲁木齐 830000）

边坡稳定性是露天煤矿安全开采工作的重中之重[1]，露天矿边坡的稳定性受边坡内部、外部各种复杂、不确定因素的影响[2]，由于影响因素的不同，导致边坡变形、位移、滑动、破坏的形式也不同，因此，露天开采中边坡稳定和边坡防治是值得深入研究的课题。基于此，本次研究以伊犁盆地南缘阿尔玛勒露天矿为研究对象，新疆伊南煤田资源量巨大，煤层稳定，靠近盆地边缘埋藏浅、易开采、煤质优良[3]，阿尔玛勒露天矿为该煤田的露天开采矿之一，位于察布查尔锡伯自治县东南137°方向60km处，矿区南北长约4.84km，东西宽约3.73km，面积9.70km2。为进一步开采矿产资源提供合理开采设计提供参数，本次研究对阿尔玛勒露天矿边坡的工程地质特征进行总结，并开展边坡岩石力学性质实验研究，对稳定性进行评价，并提出开全开采的边坡角度。

1 工程地质岩组特征

研究区内岩层由上至下划分为第四系松散岩组（A）、侏罗系中统西山窑组粗粒相含煤岩组（B）、侏罗系下统三工河组细粒相含煤岩组（C）、侏罗系下统八道湾组粗粒相含煤岩组（D），对以上各岩组特征分析如下[4]。

1.1 第四系松散岩组（A）

该岩组位于B 岩组之上，厚度为0～71m 左右，平均厚度约30m。上部为0.5～5m 厚的风成黄土，中、下部由砂砾石组成，局部夹有透镜状粘土层和砂土层，砾石成分以火成岩和变质岩为主，粒径一般在5～20cm之间，最大可达50cm，次圆状—次棱角状，分选性差。岩体结构疏松，未胶结，呈松散状，稳定性差。

1.2 侏罗系西山窑组粗粒相含煤岩组（B）

该岩组位于侏罗系中统西山窑组由中砂岩、粗砂岩、含砾粗砂岩、粉砂岩及薄层煤组成。岩性总体上以粗粒相占优势，该岩组以泥质胶结为主，局部为泥质钙质胶结，胶结程度极差，岩石完整性属极劣—中等。属软弱岩层，其稳定性差。

1.3 侏罗系下统三工河组细粒相含煤岩组（C）

岩性厚度一般在64.28～93.35m 之间，平均厚度79.82m。岩性总体上以细粒相占优势，该岩组以泥质胶结为主，其稳固性较差。

1.4 侏罗系下统八道湾组粗粒相含煤岩组（D）

该岩组由粉砂岩、细砂岩、中砂岩、粗砂岩及砾岩组成，分布面积大，厚度一般在117.23～255.25m之间，平均厚度190.08m，以泥质胶结为主，次为泥质钙质胶结，岩体稳固性差。

2 边坡岩石力学特征及评价

此次边坡评价共取边坡工程岩样81 组，以泥岩和细砂岩为主，岩石力学测试结果见表1、表2。

表1 边坡岩石物理力学试验成果表

表2 边坡岩石物理力学试验成果表

泥岩在饱和状态下单轴抗压强度1.47～13.20MPa，天然状态下单轴抗压强度4.65～27.79MPa，软化系数0.18～0.62，抗拉强度0.26～1.29MPa。

细砂岩在饱和状态下单轴抗压强度0.91～12.71MPa，天然状态下单轴抗压强度3.40～30.37MPa，软化系数0.24～0.53，抗拉强度0.18～1.52MPa。

中砂岩在饱和状态下单轴抗压强度2.27～3.63MPa，天然状态下单轴抗压强度6.57～14.50MPa，软化系数0.22～0.36，抗拉强度0.36～0.74MPa。

粗砂岩在饱和状态下单轴抗压强度1.75～4.41MPa，天然状态下单轴抗压强度5.26～12.24MPa，软化系数0.22～0.47，抗拉强度0.23～0.62MPa。

岩石质量指标（M）和岩体质量系数（Z）的计算公式如下：

岩石质量指标计算公式：

式中：M——岩体质量指标；

Rc——岩石饱和轴轴抗压强度，MPa；

RQD——采用钻孔工程地质编录RQD平均值岩石质量系数，计算公式：

式中：Z——岩体质量系数；

I——岩体完整系数（无资料可用RQD值代替）；

f——结构面摩擦系数；

S——岩块坚硬系数，Rc/10；

Rc——饱和轴轴抗压强度，MPa。

按岩石单轴抗压强度，坚硬的大于等于60MPa、半坚硬的60～30MPa、软弱的小于30MPa 可知，露天边坡中泥岩、粉砂岩、细砂岩、中砂岩、粗砂岩单轴抗压强度均小于30MPa，岩石坚硬程度属于软弱岩，且软化系数均小于0.75，属于软弱软化岩石。边坡岩体质量按指标法（M）评定为中等—差，而按质量系数法（Z）评定为极坏—坏。综合判定边坡岩体质量较差，较为破碎。

3 边坡稳定性分析

露天矿边坡形成过程中，其内部原始应力状态随之发生变化，引起应力重分布，边坡为适应这种重新分布的应力状态而达到新的平衡，将发生不同形式的变形破坏，如崩落、滑动、沉降、流动等，这是边坡演变的内因。而使边坡外形、内部结构以及所处的应力状态发生不断变化的各种自然或人为因素则是推动边坡发展变化的外因。

3.1 影响边坡稳定的不利因素

（1）圆弧形滑坡：易发生基岩风化带中；

（2）构造裂隙及风化卸荷裂隙：使边坡岩土体破碎，改变边坡的岩土体结构和力学特征，即降低坡体的抗平衡能力从而影响边坡稳定；

（3）水（地表水、大气降水）冲蚀坡脚，增大下滑力（静水动水压力增大、浮托力增大，边坡体重力增大引起），减少抗滑力（减少岩土体物理力学性）；

（4）开挖边坡脚，坡体上部加载（静载——建筑物、弃渣、动载——车辆震动等），边坡下采矿等人类活动等，改变边坡的应力状态和临空状况，从而改变坡体形态；

（5）在露天采矿中，边坡放线不合理造成系列新的拉张缝或使原裂隙因卸荷等原因张开度加大，延续性加强；

（6）人工爆破震动，造成原有稳定边坡拉裂，稳定性累积降低或直接触发已处于危险的边坡发生失稳。

3.2 安全开采参数确定

（1）松散层边坡角。露天矿地表均有第四系松散地层，厚度多介于0～58.40m 之间，呈西北薄、中东部厚，由砂砾岩、粉砂土组成，不含水，边坡类型为一类一型。取样做颗粒筛分，分析成果见表3。

表3 颗粒筛分成果表

求得近似颗粒组成指标：

界限粒径d60=20mm；平均粒径d50=16mm；中间粒径d30=6.5mm；有效粒径d10=0.5mm。

不均匀系数Cu=d60/d10=40，曲率系数Cc=d302/d10·d60=4.22通过计算该砾类土为非匀粒，级配良好，级配曲线不连续。

现场砾石的安息角测试成果如表4所示。

表4 安息角测试成果表

由上述成果分析，建议第四系砂砾土松散层的边坡角为35°。

（2）岩质边坡角。根据该煤矿露天矿采坑的调查，岩质作业台面70°，台阶高20m，台阶宽50m。类比该采坑，建议该露天矿首采区永久帮最终边坡角为23°。

3.3 边坡变形破坏防治

边坡变形破坏的防治原则以防为主，及时处理。在开采过程中，可采用预应力锚固技术，锚索加固可显著提高边坡稳定性；在岩体表面喷射混凝土，可抗风化，提高岩体表层特别是不连续面强度，该方法可与预应力锚栓一并使用；采取截、导、疏、排等综合治理措施，在地面修筑水沟，把地面水尽最大可能拦截在上部，不让地面水流入采场，做到浅水浅排；夯实或堵塞地表裂缝，修筑排水沟；合理安排采区、采用减震爆破等；剥离物的堆放要选择正确地点及堆放方式。

4 地质灾害防治建议

（1）煤层顶板易产生重力坍塌。勘察区内各煤层顶板岩石主要结构体形式为层状，结构面较发育，层间结合力较弱，岩层有一定倾角，易产生块体塌落、滑落的剪切滑移和重力坍塌等工程地质问题。必须加强巷道的支护，防止发生顶板坍塌事故。

（2）煤层底板软化变形。根据岩石物理力学试验结果，煤层底板岩石多数为泥岩、粉砂质泥岩，遇水易膨胀、软化变形，井巷位于其上，易产生底鼓及侧帮突出的塑性变形。对井下煤炭生产及运输等会造成一定的影响。

（3）地面塌陷。勘察区内煤层较多，多煤层开采时，冒落带深度互相叠加，冒落高度可达地表，引发地面塌陷。开采时，应选择合适的顶板管理方式，尽量减少对地表的破坏程度，对已产生的塌陷坑及时清理、填充，避免其成为地表水的充水通道。

（4）断层破碎带对煤层顶底板稳定程度的影响。勘察区内部构造简单，勘察区处于阿尔玛勒隆起的稳定区内，不受断层及岩浆岩的影响，目的层展布稳定，为北东向缓倾斜的单斜构造，因此，勘察区煤层顶底板稳定性不受断层影响。

（5）边坡变形破坏的防治。边坡变形破坏的防治原则以防为主，及时处理。结合本露天煤矿具体条件分析，易发生圆弧滑坡，建议采用预应力锚固技术，锚索加固可显著提高边坡稳定性；在岩体表面喷射混凝土，可抗风化，提高岩体表层特别是不连续面强度，该方法可与预应力锚栓一并使用。

采取截、导、疏、排等综合治理措施，在地面修筑沿帮固定水沟，把地表水尽最大可能拦截在上部，不让地面水流入采场，做到浅水浅排。夯实或堵塞地表裂缝，修筑地下排水坑道。控制合理的工作帮坡角、合理调整采区、设置合理厚度的安全煤壁、减震煤破及统筹安排采区等。采矿弃渣的堆放要选择合适地点及堆放方式。对开拓及开采过程中由于卸荷形成的地表裂缝应及时进行回填、开裂段防洪沟进行防渗处理，以尽量减少地表水的入渗。采矿弃渣的堆放要选择正确地点及堆放方式，避免由于人为的加载改变边坡应力状态和临空状态，从而改变坡体形态。

5 结论

（1）阿尔玛勒露天矿边坡岩体质量按指标法评定为中等—差，按质量系数法（Z）评定为极坏—坏，综合判定边坡岩体质量较差，较为破碎。

（2）阿尔玛勒露天矿边开采时建议第四系砂砾土松散层的边坡角为35°，从而有效减少开采过程中的滑坡等灾害隐患。